2.1 Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID lý tưởng trên miền liên tục:
+ + = ∫e d T dedtt T t e k t u d t i p ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 0 τ τ
Trong đó kp: hệ số khuếch đại của bộ điều khiển
i
T : Hằng số thời gian tích phân
d
T : Hằng số thời gian tích phân )
(t
e : Sai lệch điều khiển e(t)=r(t)−y(t) )
(t
u : Đầu ra của bộ điều khiển
Thành phần tỉ lệ (P): ud(t)=kpe(t) tác động nhanh và tức thời sẽ có khả năng cải thiện đặc tính động học của hệ kín song với việc tăng kp thì cũng có thể gây sự giảm độ trữ ổn định, hoặc có khi làm hệ kín mất ổn định.
Thành phần tích phân (I) có tác dụng triệt tiêu sai lệch tĩnh nhưng sự có mặt của thành phần I đã làm xấu đi tính ổn định của hệ kín, làm cho đáp ứng của hệ kín dao động hơn cũng kém bền vững ổn định hơn. Mức độ ảnh hưởng của thành phần I phụ thuộc vào hằng số thời gian tích phân Ti. Ti càng lớn thì mức độ ảnh hưởng của thành phần vi phân càng giảm và ngược lại. Nếu hệ đã dao động thì việc giảm
i
T sẽ làm hệ dao động mạnh hơn và kéo dài hơn, độ quá điều chỉnh tăng lên. Ngược lại việc tăng Ti có tác dụng bền vững của hệ kín, giảm dao động nhưng cũng dẫn đến sai lệch điều khiển chậm bị triệt tiêu và thời gian quá độ lớn
Khi sử dụng bộ PI mà muốn tăng tốc độ đáp ứng ta có thể tăng kp hoặc giảm
i
T nhưng kèm theo đó là thường phải chấp nhận độ quá điều chỉnh lớn lên và độ dự trữ ổn định cũng thu hẹp lại. Khi đó bộ điều khiển PID có thành phần D để khắc phục hiện tượng trên tức là có thể tăng tốc độ đáp ứng và tăng độ dự trữ ổn định.
tham số nào cũng có thể ảnh hưởng không nhỏ đến tác dụng của hai tham số còn lại
Chỉ tiêu chất lượng Thay đổi tham số
Tăng Giảm Giảm
Thời gian đáp ứng giảm Giảm ít Giảm ít
Thời gian quá độ Thay đổi ít Giảm Giảm
Độ quá điều chỉnh Tăng Tăng Giảm ít
Hệ số tắt dần Thay đổi ít Tăng Giảm
Sai lệch tĩnh Giảm Triệt tiêu Thay đổi ít
Tín hiệu điều khiển Tăng Tăng Tăng
Độ dữ trữ ổn định Giảm Giảm Tăng
Bền vững với nhiễu đo Giảm Thay đổi ít Giảm
2.2 Phân tích yêu cầu thiết kế
a) Tính linh hoạt của bộ điều khiển (khả năng điều khiển các đối tượng có mô hình toán học khác nhau)
• Khả năng thay đổi tham số của bộ điều khiển Kp, Ti, Td
Với các đối tượng khác nhau thì thông số của bộ điều khiển cũng khá nhau do đó cần phải nhập lại thông số bộ điều khiển.
Trong quá trình hoạt động lâu dài, các thông số của đối tượng bị thay đổi. Điều đó làm cho chất lượng điều khiển giảm. Vì vậy khả năng thay đổi tham số của bộ điều khiển là rất cần thiết.
• Khả năng thay đổi luật điều khiển:
Để có thể sử dụng bộ điều khiển cho nhiều đối tượng có nhiều cấu trúc khác nhau thì việc thay đổi cấu trúc luật điều khiển cũng cần thiết. Chẳng hạn, thành phần tích phân có thể sẽ không cần thiết khi đối tượng đã có sẵn thành phần tích
điều kiện vận hành, do tính phi tuyến của thiết bị. Việc loại bỏ nhiễu hằng bằng cách xác định chính xác độ lớn của nhiễu hằng và bù thêm một lượng vào bộ điều khiển.
Nhiễu biến thiên nhanh với biên độ nhỏ như nhiễu đo. Thành phần nhiễu này sẽ gây ra sự ảnh lớn đến thành phần tác động nhanh như thành phần vi phân. Để loại bỏ nhiễu này thì nên sử dụng khâu lọc thông thấp đầu vào.
• Khả năng ghép nối với đối tượng
Người sử dụng tự cài đặt tham số
Bộ điều khiển tự chọn tham số (self-turning)
Bộ điều khiển tự điều chỉnh tham số (auto turning) để đảm bảo chất lượng đầu ra không đổi
2.3 Các giải pháp phần cứng
a) Chọn vi điều khiển
Một số dòng vi điều khiển phổ biến: PIC, AVR29, PS.o.C, …
Để có thể chọn lựa được vi điều khiển hợp lý thì cần chú ý đến các vấn đề sau:
• Chu kỳ trích mẫu tín hiệu: Vì bộ điều khiển là bộ điều khiển số nên trong một chu kỳ nó phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu vào và sau đó bộ điều khiển phải tính toán xong tín hiệu điều khiển. Do đó tốc độ xử lý phải phù hợp đáp ứng được thời gian gian tính toán và lấy mẫu phải nhỏ hơn chu kỳ trích mẫu tín hiệu. Như ta đã biết chu kỳ trích mẫu càng nhỏ thì chất lượng bộ điều khiển số càng lớn thế nhưng tốc độ vi xử lý càng phải cao. Do đó cần xem xét tốc độ tính toán của vi điều khiển
• Các ngoại vi có sẵn trên chip như các timer, các ngắt, bộ so sánh, bộ PWM
• Khả năng giao tiếp ngoại vi
Giao tiếp với các thiết bị chấp hành, thiết bị cảm biến:
Giao tiếp với thiết bị chấp hành kiểu số: kiểu ON/OFF hay kiểu PWM
Giao tiếp với các thiết bị cấp cao khác như PC, PLC có thể qua chuẩn RS-232 hoặc RS-485 hoặc qua mạng truyền thông như Profibus DP hay Modbus,…
• Các chuẩn giao tiếp mà chip hỗ trợ:
Giao tiếp không đồng bộ nối tiếp: USART có ưu điểm đơn giản, phổ biến, nhưng nhược điểm độ tin cậy không cao. Đặc biệt là các việc giao tiếp với cổng COM của máy tính
Giao tiếp truyền thông nối tiếp đồng bộ I2C: thích hợp cho các ứng dụng truyền thông giữa các đơn vị truyền thông, đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng truyền thông giữa các đơn vị trên cùng một bo mạch với khoảng cách ngắn và tốc độ thấp.
Giao tiếp truyền thông nối tiếp đồng bộ SPI: với 3 dây cho phép kết nối truyền thông nhiều vi điều khiển.
Khả năng thích hợp với môi trường: trong những điều kiện khắc nhiệt của môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, từ tính,… đều có thể gây ra hỏng bộ điều khiển hoặc làm bộ điều khiển hoạt động sai.
b) Chọn kết nối vi điều khiển với đối tượng
• Cảm biến số: sẽ được gắn với 1 bít của một cổng vào của vi điều khiển. Nếu cảm biến số có mức tín hiệu khác với mức tín hiệu của vi điều khiển thì ta có thể lắp thêm bộ chuyển đổi mức tín hiệu.
• Cảm biến tương tự:
- Được lắp với chân ADC của vi điều khiển (nếu có)
- Cần thêm mạch chuyển đổi ADC là khâu chuyển đổi giá trị tương tự từ đầu ra của cảm biến thành giá trị số n bit (thông thường 8 bít hoặc 10 bít hoặc 12 bít). Giá trị số n bit
Hoặc
• Thiết bị chấp hành số: kiểu on/off thì được gắn với 1 bít của một cổng ra của vi điều khiển. Nếu thiết bị chấp hành số có dòng lớn thì ta có thể lắp rơ le chuyển mạch hoặc khóa chuyển mạch bằng bán dẫn như transitor công suất, IGBT công suất, tiristo công suất,…
• Thiết bị chấp hành số có tần số đóng cắt cao thì có thể phát tín hiệu dưới dạng PWM. Trong một chu kỳ điều chế TPWM thì bật Ton còn khoảng thời gian còn lại thì off Khi đó có: ref PWM on r U T T